发动机电控系统研究

1、第1章 绪论 众所周知，自1897年第一台汽车发动机问世以来，在近一个世纪的发展过程中，汽车发动机技术水平出现过三次质的飞跃:第一次是在本世纪二十年代用机械式喷油系统代替了蓄压式喷油系统:第二次为五十年代采用增压技术;第三次则是八十年代出现的汽车发动机电子控制技术。电控技术自从七十年代首先应用在汽油机上开始就一直存在着如何保障电控系统的可靠性与安全性的问题。传统的机械式控制汽车发动机系统具有很高的可靠性，当汽车发动机采用电控系统，使用了电控单元(ECU)、传感器和执行器时，仍应具备同样高的可靠性与安全性。虽然系统的可靠性可以通过提高元件的可靠性和进行系统可靠性设计来改善，但是，不论如何提高可靠

2、性设计，故障的发生是不可避免的，这时，系统电控单元就成为系统可靠性的最后一道防线。当电控系统出现故障时，维修工作变得相当困难，靠传统维修方法如询诊、视诊、听诊、嗅诊以及试验等来解决电控系统的故障是相当困难的。配合电控系统的专用电控系统的研究及应用成为电控系统产品化的必然要求。因此，电控单元的研究是汽车发动机电控系统可靠性的保障，是汽车发动机电控技术的一个重要组成部分;电控系统作为汽车发动机电控系统的专用维修仪器，是电控系统与用户进行沟通的界面，是便于用户使用电控系统的可靠保障。 电控单元的研究涉及了电控系统控制部分的工作原理及硬件电路部分的工作原理、汽车发动机工作原理及智能仪器仪表的设计等多方

3、面综合知识，是机电一体化的具体应用。本文在国家科委重点项目“汽车发动机电控技术”处于起步研究阶段情况下，初步进行了方案设计的理论分析，提出了方案设计的方案和方案设计的发展方向。方案设计的深入具体研究要随“汽车发动机电控技术”的发展而逐步实施。本文的重点在于离线电控系统的研究和设计应用。分析了电控系统的功能、工作原理、硬件组成设计及软件设计，最后进行了电控系统的产品试制和应用试验。控系统的可靠保障。 1.1国内外发展状况及本课题研究意义1. 1. 1汽车发动机电控系统发展状况一、国外发展状况 国外汽车发动机电控喷油系统从开发模式和系统结构分析，经历了三代发展。 1位置控制式电控喷射系统(第一代系

4、统)第一代电控喷射系统保留了传统喷射系统的基本结构，通过在油泵上增设由传感器、执行器和微处理器所组成的两个位置控制系统，分别对喷油量和喷油定时进行调节，燃油量的计量按位置控制方式，即以柱塞压送燃油的供油始点和供油终点之间的物理长度一一有效行程(位置)决定。因此，第一代系统也称为位置控制式电控喷射系统。本课题的研究就是基于第一代电控系统之上进行的。电控执行器有三种类型，即电磁式执行器、电液式执行器和电机。 日本杰史塞尔公司首先研制出电控可变预行程(TICS )直列泵系统;德国波许公司、日本电装公司等均已批量生产这类电控系统。 2时间控制式电控脉动泵喷射系统(第二代系统) 第二代电控喷油系统改变了

5、传统喷射系统的一些机械结构，利用柱塞泵可承载高压的特性提供高的供油压力。用高速电磁旁通阀泄流控制代替传统的机械式泄流控制，从而对喷油量、喷油定时、喷射压力和喷油速度等进行直接数字式高频控制。泵油机构和控制机构完全分开，燃油的计量按时间控制方式，喷油量以产生和解除高压的电磁阀的开闭时刻控制。因此，第二代系统也称为时间控制式电控喷射系统。这种系统机械结构简单，控制反映快。时间控制式电控系统分为三种类型:电控泵一喷嘴系统、电控分配泵系统和电控单体泵或直列泵系统。 1985年美国底特律汽车发动机阿列森公司首先开发出电控泵一喷嘴系统DDEC I, 1987年研制成功DDEC II, 1994年有改进为D

6、DECIII。波许公司研制的电控泵一喷嘴PDE27lPDE28，其电磁旁通阀被设计成高低压平衡式，工作稳定性较高。卢卡斯公司研制的电控泵一喷嘴EUI，采用高速大功率电磁阀作为执行器。由于这一电磁阀驱动力大、响应快，故能采用更大的旁通溢流阀直径和阀流通面积来保证高压喷射的迅速切断。杰克塞尔公司首先在VE型泵基础上研制出来第二代电控分配泵系统EDF II。其特点是在泵头上安装一高速电磁旁通阀，喷油定时和喷油量分别取决于阀的关闭时刻和闭合时间。喷油始点传感器和阀关闭传感器用来对定时和油量进行精确确控制。 丰田汽车公司研制的电控分配泵系统ECD-2，采用电磁溢流阀EMSV来控制油量。EMSV为双阀结构

7、，喷油量和喷油定时靠两个阀的配合来实现，而定时控制仍用第一代电控系统所采用的电液执行机构，定时控制范围变得很大。波许公司的第二代电控分配泵系统采用两个电磁阀，一个用于油量计量，一个用于定时控制。 波许公司研制了一种直接数字控制的单体泵一管一嘴系统，该系统的电磁溢流阀安装在油泵内直接控制油泵的喷油过程。 3共轨式电控喷油系统(第三代系统) 共轨式电控喷油系统具有公共控制油道(共轨)，高压油泵并不是直接控制喷油，而是向公共油道供油以维持所需的共轨压力，通过连续调节共轨压力来控制喷射压力，采用压力/时间式燃油计量公式，因此这类系统也称为压力控制式电控喷射系统。这类系统可分为三种:蓄压式电控高压喷射系

8、统、电控液压泵一喷嘴系统和高压共轨式电控喷射系统。 美国BMK公司研制出蓄压式电控高压喷射系统Servojet CRIDECo该系统采用蓄压式喷油器来存储高压燃油，共轨中采用中等压力的燃油，利用电磁阀控制喷射过程，通过调节共轨压力可以控制最高喷射压力和喷油量。 卡特匹勒公司研制出一种HEUI电控液压泵一喷嘴系统。 日本电装公司首先研制成高压共轨式电控喷射系统ECD-U2 0 由于美、日、欧等国家对汽车排放法规的日趋严格，用户对汽车经济性、舒适性及安全可靠性等性能要求越来越高，各种各样的汽车发动机电子控制产品不断研制投放市场并取得显著的经济效益，有利地推动了汽车发动机电控系统进一步发展。二、国内

9、发展状况随着改革开放的深入发展，汽车发动机电控技术这一新的技术革命浪潮也涌进了国内，特别是近年来我国排放法规的新出台，更严的排放要求也需要我国汽车发动机拥有自己的电控技术。许多科研院校已投入人力物力积极开展汽车发动机电控系统的研制工作，并积累一定的经验成果。国内汽车发动机电控喷油系统仍处于起步阶段，第一汽车集团公司长春汽车研究所于1992年完成吉林省科委“单缸汽车发动机电控喷油系统研制”课题，并获“国内首创”鉴定。为汽车发动机电控技术发展奠定了技术基础和经验。 在国外发达国家电控技术的不断普及和取得的经济效益、社会效益，国内排放法规日趋严格的情况下，汽车发动机电控喷油系统的应用己经成为必然趋势

10、了。为提高国内汽车发动机电控技术的应用，国家科委将“汽车发动机电控喷油技术”立为“九五”攻关项目，希望在本世纪末我国汽车发动机将有自己的电控系统。1. 1. 2本课题研究的目的和意义从国外八十年代以来电控喷油系统的研制经验看，电控单元自始自终伴随电控单元的发展而不断完善，成为电控系统不可分割的组成部分。电控单元的研究与电控技术具有同等的意义和地位。一、本课题研究的目的 1完成电控技术中电控单元部分的前期探索工作，为以后电控单元的发展与完善提供技术经验和基础。 2对方案设计部分提出可行性的初步方案。 3给出离线电控单元的方案及设计出试验产品，为以后电控系统随电控系统产品化提出一种可行性设计。二、

11、本课题研究的意义 1电控单元系统是电控系统可靠性的重要保障。 通常，系统越复杂，使用可靠性越差。随着电控系统功能增强，系统的可靠性也越来越受到重视。提高系统可靠性主要通过提高元件的可靠性和进行系统的可靠性设计来实现。然而，不论如何提高可靠性，系统最终都会发生故障。因此故意诊断技术是提高可靠性的最后一道防线。电控单元ECU通过电控单元功能，检测诊断系统各个组成部分的工作状态，一旦ECU检测电控系统有故障发生并查出具体故意部位时，首先点亮故障指示灯(CHECK ENGINE )，然后将故障码存入指定存储单元，并根据故障类型执行相应的故障保护程序，避免由此而产生严重事故。例如，故障发生部位并不很严重

12、时，如温度传感器信号短路，可以用某一设定温度值代替实际温度值，虽然车辆的性能会有所下降，但却能维持车辆的继续运行到附近维修地点而避免了抛锚于荒郊野外。又如，速度传感器信号发生故障时，往往会导致重大交通事故，电控单元功能会切断供油系统使车辆停止运行。 2便于维修人员进行维修。 随着集成电子系统的应用，维修人员感到故障识别和维修越来越困难。不再能根据车辆表面症状就直接找到故障起因和部位，电控单元需要由高水平技术人员和合适的仪器仪表。即便如此也只能解决一些静态故障，对一些间歇性故障和由外界环境因素如温度、震动引起的故障却无能为力。电控单元功能可以使维修人员通过某种方式读出在线记录的故障信息。早期电控

13、单元功能是利用故障指示灯读取故障信息，然后查找维修手册中的对应解释进行维修。随着现代电子技术、计算机技术、通讯技术以及液晶显示技术的发展，便携式电控单元仪已经研制并投入使用，通过电控系统的液晶湿示屏就能超接读取故障信息和维修方案。使维修人员的维修工作变得轻松、容易。 3降低维修成本，提高维修效率。 传统的维修手段往往是用好的元/部件替换产生故障的元/部件。但由于电控系统各个组成部分非常复杂，单凭技术人员的经验是无法决定电控系统的起因和部位，这种情况下，若将整个电控系统采用替换手段进行维修，会将许多非故障组成部分换掉，使用户浪费大量不必要的资金。为避免这种状况，通过电控单元功能直接找到故障发生部

14、位进行维修可大大降低维修成本，减少诊断时间，提高维修效率. 1. 2本章小结 本章论述了国内外汽车发动机电控系统的发展状况，国外自从八十年代开始研究及应用汽车发动机电控系统以来，已经过了三代的发展，各个汽车工业先进国家都有相应代表产品问世。我国汽车发动机电控系统还处于起步阶段，正根据我国国情同时参考国外已取得的先进水平和丰富经验研制适合我国汽车工业的电控产品。 本章还论述了汽车发动机电控系统电控单元这一课题研究的目的和意义。可以看出，电控系统电控单元技术的研究推动了汽车发动机电控系统的发展，对汽车发动机电控系统实现产品化起到举足轻重的推动作用。第二章汽车发动机电控系统方案设计2.1方案设计原理

15、 方案设计是汽车发动机电控单元的一个重要组成部分，是汽车发动机电控系统投入产品化的可靠性与安全性的重要保障。方案设计是电控单元的重要组成部分，与组成电控系统的硬件电路、控制软件相互联系、相互支撑，实现对发动机的多参量运行控制。方案设计完成的任务如下所述:实时检测输入信号，包括传感器信号、操作人员控制开关信号等，根据工作状态判断信号是否有效。实时检测输出信号及执行器的工作状态。记录故障信号的故障代码，与故障发生前后信号随时间变化的特征采样值。使控制软件在故障发生时执行安全保护模式下的控制子程程序。接收电控系统与维修人员的通讯控制，能够向电控系统发送故障信息及系统信息，并能在故障指示灯上显示故障代

16、码。根据电控系统的要求执行实时控制。方案设计应以软件为手段实现，尽量不要采用如硬件冗余等方式通过增加硬件来完成诊断，以避免由于增加硬件而带来额外的故障。对于传感器输入信号的诊断应以查询方式为主，并渗透一些有效的控制算法以提高诊断的效率和可靠性，增加诊断的范围。根据诊断对象建立控制模型，运用控制理论进行诊断是电控单元发展的方向。 输入信号的诊断内容主要有信号电平的上、下限检测、短路与断路检测、变化率检测及传感器标定漂移故障检测等。对于输出信号及传感器的检测采用闭环控制解析冗余的方案。每个故障对应一个故障代码、标志位及故障保护子程序。无故障信号对应的标志位置“o，有故障信号的标志位置“1，控制软件

17、的执行可根据信号的标志位决定控制子程序的入口。2.2方案设计涉及的几个问题2. 2. 1时间分配问题方案设计需要定时地查询每一个诊断对象，当某一诊断对象发生故障时，又要记录一定数量的随时间变化的故障信号采样点。这样，每个对象的查询周期、采样周期、采样点数的确定需要合理的安排和能保证电控单元的可靠执行。查询周期、采样周期、采样点数的确定受以下几个因素的影响: 控制软件实现一个控制周期的时间。 发动机工况。 诊断对象的数量及其优先级。 诊断对象的特点。 电控单元所用CPU的数量。 可用定时器数量。 在一个控制周期中应保证所用到输入信号的正确性。因此，有些变化快的传感器信号查询周期至少应小于控制周期

18、。随着转速的提高，与转速有关的传感器信号查询周期应动态的缩短。诊断对象越多，每个诊断对象的查询周期受到限制，同时优先级不同，诊断对象的查询顺序也应考虑。当采用双CPU并且专用其中一个进行诊断时，就不必考虑诊断软件与控制软件的资源冲突。由于用于电控单元的定时器数量有限，因此要分时定时各个查询周期、采样周期。2. 2. 2资源分配问题 方案设计软件的运行受硬件支持，当采用单CPU时，由于资源有限，软件设计原则应尽量少占用硬件资源。电控单元必须用到的硬件资源有以下几方面: C1)定时器 定时器主要用于各种诊断对象的诊断周期和信号采样周期的定时。虽然可以采用软件定时，但要占用CPU资源，因此采用定时器

19、的中断方式进行定时，可以节省硬件资源。 C2) CPU内部寄存器 方案设计将传感器、执行器的工作状态存于位寄存器，有些常用参考数据需要保存在寄存器中。 C3)数据存储器RAM 故障代码与故障信号采样点存储于数据存储器的指定地址空间，当接收到电控单元仪的“接受故障信息”时，将指定单元的数据通过串行通讯传输给电控系统。当接收到电控系统的“擦除故障信息”时，将指定单元的数据改写成空信息数据。标志位寄存器改写成正常状态。 (4)EEPROM 这种存储器在掉电情况下数据不会丢失，主要用来存储一些重要的标定参数与查询到的故障代码。2. 2. 3与控制软件的相互作用 当采用双CPU时，专用一个CPU执行电控

20、单元时，电控单元软件与控制软件所用到的传感器输入信号都是来自同一目标，这样可以减少硬件设置，如AlD转换电路、采样保持电路等。数据的传输可以采用并行方式与串行方式两种。数据传输协议的设定随控制系统的设计而定。 当采用单CPU时，控制软件与诊断程序在同一CPU上运行，虽然避免了外部数据的传输，但在时间分配上却要精细设计。可以划分任务实体，然后统观全局为每个任务实体分配一个优先级，根据优先级与工作状态决定谁先占用CPU。2. 2. 4与外部电控系统的相互作用 方案设计与电控系统相互作用完成电控系统的故障检测与故障提示，为维修人员的维修工作提供服务信息。方案设计与电控系统间的信息传输通过串行通讯实现

21、。方案设计接收外部指令码，执行协议中指令码代表的意义。本课题串行通讯协议定义如下: 1.传输波特率9600BAUD，一帧数据格式为:一位起始位、八位数据位、一位停止位。 2.传输开始先发送握手信号。 3.数据可靠性校验方式:发送时，先送出要发送数据组的累加和，再发送数据，然后接收通讯是否成功信息。如失败，重新发送。 4.接收时，接收到的第一个字节为累加和，然后将随后接收到的数据保存并累加，与先接收到的累加和比较，若一致，则发送通讯成功标志数据;若不一致，则发送接收失败标志数据，重新进入接受状态。2.3本章小结 在汽车发动机电控技术研究的起步阶段，由于正在进行各种传感器的选型、电控单元功能与结构

22、的确定及电控单元主CPU的选型等，由于电控系统的方案设计要以电控系统为基础进行设计，因此本章对于方案设计只在原理方面进行了分析，并归纳出方案设计在今后研究和设计中需要考虑的问题。为以后在电控系统逐步完善的条件下进行方案设计提供参考。第三章汽车发动机电控喷油系统离线电控系统的研制3.1电控单元仪的功能、原理及硬件电路分析3.1.1电控单元仪的功能 从硬件电路设计角度上看，本课题的电控系统具备以下功能: 1.电控系统带有一个标准RS-2犯串行通讯接口，功能上能够与所有具备RS-232接口的设备进行通讯。电控系统与电控喷油系统的联系主要通过串行通讯实现。 2.图文信息显示功能。作为用户与电控单元的接

23、口工具，电控系统应能为用户提供电控系统的故障信息、故障现象、维修措施以及使用说明等方便用户使用的信息。因此采用液晶模块，体积小，显示容量大并且便于用户携带。 3.实时监控功能。电控系统带有功能按键矩阵，实时监测用户的按键输入并根据用户输入完成指定控制过程。 从用户使用角度上看，本课题的电控系统具备以下功能: 1.接收电控系统的故障信息。电控系统通过串行通讯功能将“接收故障信息”的命令码送入电控单元，然后接收电控单元检测到的故障信息并存放于电控系统的静态存储器中，等待用户查询、分析。 2.查询故障信息。通过执行此项功能为用户提供已经接收故障信息的具体内容，例如:故障个数、故障名称、由此故障而引起的现象、产生故障的可能原因、故障维修参考方案等。 3.擦除故障信息。当故障维